نظرة شاملة بر روی خطوط انتقال فراکشی و عایق‌های مرکب: چالش‌ها طراحی و کاربردها
1 ویژگی‌ها و اجزای خطوط انتقال ولتاژ بالا
1.1 ویژگی‌های خطوط انتقال ولتاژ بالا
خطوط انتقال ولتاژ بالا به دلیل نیاز کمتر به اطلاعات، هزینه نسبتاً پایینی دارند. معمولاً از دو رساننده استفاده می‌کنند، یکی به قطب مثبت و دیگری به قطب منفی متصل می‌شود. خطوط انتقال جریان مستقیم دارای تحمل بالا هستند و می‌توانند جریان را در فواصل طولانی منتقل کنند. در برخی از تأسیسات انتقال ولتاژ بالا در چین، انتقال جریان متناوب نیز به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد، که به ویژه در زندگی روزمره مشهود است.
1.2 خطوط انتقال ولتاژ بالا به عنوان یکی از اجزای اصلی طراحی برق
در کارهای طراحی پایه، نقوش مهندسی مورد نیاز برای ساخت باید با دقت آماده شده و طبق روش‌های کاری دنبال شوند. انتخاب مواد خام برای برنامه‌های ساخت، طراحی مناسب مسیرها، روش‌ها و چالش‌های ذخیره‌سازی متناظر توسط تیم ساخت، عملکرد عادی خطوط برق را تضمین می‌کند، کارایی کار را افزایش می‌دهد و مؤثریت کار ساخت را بهبود می‌بخشد.
2 وضعیت توسعه خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا
در مقایسه با خطوط معمولی، خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا (UHV) نیازمند استانداردهای بالاتری هستند، مانند سطح عایق‌بندی خارجی، تکنولوژی‌های مهندسی برق و اقدامات محافظتی خط. اگر سطح عایق‌بندی خارجی خطوط انتقال UHV به استاندارد نرسد یا اقدامات محافظتی کافی نباشد، مشکلاتی مانند افتادگی آلودگی، ولتاژ بالا و خرابی افزایش می‌یابد. بنابراین، استفاده از عایق‌های مرکب در خطوط انتقال UHV ضروری و بخشی اساسی از ساخت شبکه‌های مدرن است.
3 مشکلات عایق‌های مرکب در خطوط انتقال UHV
3.1 خرابی در محل اتصال
مشکلات خرابی الکتریکی عایق‌های مرکب عمدتاً به دلیل ضربه‌های صاعقه‌ای ایجاد می‌شوند که بیش از نیمی از تمام خسارات را تشکیل می‌دهند. با وجود بهبود مداوم مواد، مشکل خرابی‌های تکراری در محل اتصال همچنان وجود دارد. در حین تولید، هم میله‌های هسته و هم غلاف‌ها پدیده‌های لپ گرفتن قابل توجهی دارند و محل اتصال غلاف‌ها و قطر میله‌ها ممکن است فرسوده شوند که می‌تواند منجر به خرابی در محل اتصال و تأثیر بر طول عمر عایق‌ها شود. بهینه‌سازی و بهبود مداوم محصولات برای کاهش احتمال خرابی در محل اتصال ضروری است.
3.2 شکستن هشیار میله‌های هسته
شکستن هشیار میله‌های هسته نوعی از خرابی‌های معمول عایق‌های مرکب در خطوط انتقال UHV است. در طی فرآیند شکستن هشیار میله‌های هسته، به دلیل فرسودگی اسیدی، الیاف میله‌های هسته به تدریج تحت تأثیر فرسودگی اسیدی شکسته می‌شوند و حتی می‌توانند تحت بارهای کوچک کل میله‌های هسته را شکسته کنند. دلایل اصلی عبارتند از:
اولاً، این معمولاً در موقعیت‌هایی که قدرت میدانی ولتاژ بالا نسبتاً بالا است رخ می‌دهد. معکوس کردن حلقه‌های توزیع می‌تواند منجر به شکستن هشیار عایق‌های مرکب شود. برای حل این مشکل، طراحی و پردازش حلقه‌های توزیع باید به گونه‌ای باشد که قدرت میدانی به سطح مشخص شده برسد و خرابی هشیار مواد را به طور موثری جلوگیری کند.
ثانیاً، شکاف‌ها ممکن است زمانی که غلاف یا سطح انتهایی آسیب دیده باشد ایجاد شوند. با این حال، استفاده از میله‌های هسته‌ای بدون بور و مقاوم در برابر اسید به طور قابل توجهی مقاومت کلی در برابر اسید را بهبود می‌بخشد و این مشکل را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. باید توجه داشت که نه همه میله‌های هسته‌ای الیافی دارای ویژگی‌های مقاومت در برابر اسید عالی هستند؛ بنابراین، ارزیابی عملکرد و انتخاب ضروری است. اگرچه خرابی‌های هشیار تأثیر قابل توجهی بر عملیات دارند، اما احتمال وقوع آن‌ها کم است و می‌تواند از طریق مداخلات مختلف کاهش یابد.
3.3 مشکلات پیری
پس از دوره‌ای از استفاده، عایق‌ها ممکن است با مشکلات پیری مواجه شوند که عمدتاً به دلیل عوامل دمایی و تخلیه سطحی ایجاد می‌شوند. اگرچه مواد ژلاتین سیلیکونی دارای چرخه پیری طولانی‌تری هستند، اما پیری اولیه عملیاتی ممکن است به دلیل آلودگی محیطی و تکنولوژی تهیه مواد رخ دهد. در حالی که بیشتر مناطق می‌توانند شرایط و ویژگی‌های خوبی را از طریق ژلاتین سیلیکون حفظ کنند، پیری اجتناب‌ناپذیر است. برای تضمین عملکرد ایمن عایق‌ها، آزمایش‌های اولیه ضروری است. بنابراین، بازرسی‌های دوره‌ای عایق‌های مرکب برای جلوگیری از تخریب بیشتر مورد نیاز است.
3.4 مشکلات مکانیکی
عایق‌های مرکب در طول استفاده دارای کاهش قابل توجهی در عملکرد مکانیکی هستند. در حال حاضر، از عایق‌های داخلی پلاگ-نوع استفاده می‌شود، اما این عایق‌ها نیازهای بالایی برای روش‌های اتصال دارند و شیب تکنیکی آن‌ها با طرح‌های عایق‌های لبه‌گرد شده تفاوت قابل توجهی دارد.
4 تعیین طول زنجیره عایق و کمترین فاصله هوایی برای خطوط UHV
4.1 فاصله عایق‌بندی الکتریکی مورد در نظر گرفته شده در طراحی خطوط UHV
نیازمندی‌های تطابق عایق‌بندی برای خطوط UHV 1000kV AC باید عملکرد ایمن و قابل اعتماد را در شرایط مختلفی مانند ولتاژ تواتری، ولتاژ بالای تغییر وضعیت و ولتاژ بالای صاعقه‌ای تضمین کند. خروج نوری تواتری عایق‌ها عامل کنترل اصلی زنجیره‌های عایق است. ساختارهای عایق‌بندی خارجی معمولاً بر اساس تحمل آلودگی محاسبه می‌شوند، با ترکیب تجربیات مهندسی موجود، با در نظر گرفتن عواملی مانند ارتفاع و پوشش یخ. برای ولتاژ بالای تغییر وضعیت، مضارب ولتاژ بالای 1.6p.u. و 1.7p.u. در نظر گرفته می‌شوند؛ وقتی که بالاترین ولتاژ عملیاتی سیستم 1100kV است، اگر ولتاژ بالای تغییر وضعیت نتواند تعداد قطعات عایق را کنترل کند و مقدار محاسبه شده کمتر از 50٪ ولتاژ خروجی ضربه زنجیره عایق باشد، خطر خروجی ضربه وجود دارد. در سیستم‌های UHV، ولتاژ بالای صاعقه‌ای رابطه مستقیمی با ولتاژ عملیاتی ندارد و سطح عایق‌بندی خارجی بالا موجب می‌شود ولتاژ بالای صاعقه‌ای یک عامل تعیین‌کننده نباشد.
4.2 طول زنجیره عایق
در شرایط آلودگی، طول زنجیره عایق با استفاده از روش‌های ضد آلودگی تعیین می‌شود. این شامل: (1) اندازه‌گیری ولتاژ خروجی آلودگی مختلف عایق‌ها در شرایط جوی برای به دست آوردن رابطه بین ولتاژ خروجی 50٪ آلودگی و چگالی نمک مختلف عایق‌ها؛ (2) اندازه‌گیری ولتاژ تحمل عایق‌ها؛ (3) اصلاح و محاسبه چگالی نمک محلول‌پذیر؛ (4) کالیبراسیون تأثیر نسبت خاک به نمک بر آلودگی سطح عایق‌ها؛ (5) اصلاح ناهمواری سطوح بالا و پایین؛ (6) اصلاح ارتفاع در ارتفاعات بالا؛ و (7) محاسبه تعداد قطعات عایق تحت شرایط ولتاژ عملیاتی ماکسیمم.
4.3 تعیین کمترین فاصله هوایی برای خطوط UHV
4.3.1 محاسبه کمترین تعداد قطعات عایق برای عملیات عادی
این مقاله روی موضوع علمی کلیدی انتخاب کمترین فاصله برای خطوط انتقال UHV تمرکز دارد، با استفاده از خطوط انتقال تک مدار به عنوان موضوع تحقیق. تأثیر فاصله هوایی بر ابعاد برج‌های انتقال تحت ولتاژ تواتری و تأثیرات صاعقه‌ای مورد مطالعه قرار می‌گیرد، کمترین فاصله برج‌های انتقال با استفاده از فواصل هوایی اندازه‌گیری شده تعیین می‌شود و تأثیر تنزل عایق‌ها بر ساختار برج‌های انتقال مورد بررسی قرار می‌گیرد و یک کمترین فاصله برای برج‌های انتقال با در نظر گرفتن تنزل عایق‌ها پیشنهاد می‌شود.
4.3.2 تعیین فاصله هوایی ولتاژ بالای تغییر وضعیت
این شامل تعیین عامل تطابق آماری برای عملیات ولتاژ بالای تغییر وضعیت بر اساس محاسبه ولتاژ خروجی ضربه U50٪ برای فواصل هوایی تکی است.
در این میان، Us نشان‌دهنده ولتاژ بالای تغییر وضعیت است، که در kV اندازه‌گیری می‌شود؛ Z ثابت است، بنابراین به 2.45 تنظیم می‌شود؛ برای یک فاصله هوایی تکی، σ1 به 0.06 تنظیم می‌شود؛ در این میان، σm واریانس چندین فاصله هوایی است که به 0.024 تنظیم می‌شود. بنابراین:
بنابراین، عامل تطابق آماری kc برای ولتاژ بالای تغییر وضعیت فاصله هوایی خط است:
5 کاربرد عایق‌های مرکب در خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا
از طریق عملیات واقعی خطوط موجود در کشورمان، مشخص شده است که استفاده از عایق‌های مرکب می‌تواند هم هزینه‌های نگهداری خط و هم آلودگی شبکه برق را کاهش دهد. در مناطق آلوده، توصیه می‌شود از عایق‌های مرکب استفاده شود. برای خطوط انتقال 1000kV، توصیه می‌شود از عایق‌های حدود 9 متر بلندی استفاده شود و در مناطق بسیار آلوده، از عایق‌های بیش از 17 متر بلندی استفاده شود. اگر اتصال‌های سری‌ای اتخاذ شوند، بلندی عایق‌ها می‌تواند بیشتر تنظیم شود، اما این باعث افزایش وزن و طول عایق‌ها و هزینه خط می‌شود.
در مناطق ارتفاعات بالا و بسیار آلوده، عایق‌های مرکب مزایای اقتصادی و فنی بالاتری دارند. وقتی که طول زنجیره ترکیبی از 10 متر فراتر نرود، می‌تواند مساحت پنجره برج را کاهش دهد، بار برج را کنترل کند و وقوع حوادث خروجی نوری را کاهش دهد. بنابراین، عایق‌های مرکب در این جنبه‌ها مزایای قابل توجهی دارند. برای تضمین عملکرد بلندمدت پایدار و قابل اعتماد خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا، تحقیقات عمیقی باید انجام شود.
از یک سو، باید تحقیقاتی در مورد ویژگی‌های مکانیکی عایق‌های مرکب با ظرفیت بسیار بالا انجام شود تا استانداردهای و روش‌های آزمایشی کارآمدی را تشکیل دهد. علاوه بر این، در حالی که فشار یکنواخت بر عایق‌های مرکب تضمین می‌شود، باید اقدامات مناسبی برای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی و تخلیه کرونایی اتخاذ شود تا حوادث ناگهانی را به حداقل برساند. روش خروجی قوسی مناسب تضمین می‌کند که خروجی قوسی مؤثر باشد.
ساختارهای مکانیکی بهینه تضمین می‌کنند که یک عایق خراب نخواهد افتاد. باید استانداردهای کنترل کیفیت سختگیرانه‌ای تدوین شود تا محصولات غیراستاندارد ممنوع شوند، با کنترل دقیق مواد برای میله‌های هسته و جوپارها و بهبود تکنیک‌های تولید از منبع، خطرات ایمنی عملیاتی کاهش یابد. در طول ساخت، باید روش ذخیره‌سازی علمی اجرا شود تا خسارت‌های بالقوه به صورت دقیق کنترل شوند. برنامه‌های نگهداری و بازرسی مؤثر باید اجرا شود تا خطرات ایمنی به طور زودهنگام شناسایی شوند و اقدامات متناظر اتخاذ شود تا ایمنی تولید تضمین شود.
6 نتیجه‌گیری
عایق‌های مرکب در شبکه برق چین کاربرد فزاینده‌ای یافته‌اند و به یکی از اجزای اساسی ساخت شبکه برق تبدیل شده‌اند. با توجه به نیازهای مقطع‌های بزرگ و شرایط بار بالا در خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا، عایق‌های سنتزی باید بر عایق‌های شیشه‌ای و سایر انواع ترجیح داده شوند. با افزایش مقیاس خطوط انتقال ولتاژ فوق‌بالا، چالش‌های بیشتری پدیدار می‌شود که منجر به نیازهای عملکردی بالاتر می‌شود.
علاوه بر تضمین فشار یکنواخت بر عایق‌های مرکب، باید اقدامات مناسبی برای مقابله با تداخل الکترومغناطیسی و تخلیه کرونایی اتخاذ شود تا حوادث ناگهانی را به حداقل برساند. روش خروجی قوسی مناسب تضمین می‌کند که خروجی قوسی مؤثر باشد. ساختارهای مکانیکی بهینه تضمین می‌کنند که یک عایق خراب نخواهد افتاد. باید استانداردهای کنترل کیفیت سختگیرانه‌ای تدوین شود تا محصولات غیراستاندارد ممنوع شوند، با کنترل دقیق مواد برای میله‌های هسته و جوپارها و بهبود تکنیک‌های تولید از منبع، خطرات ایمنی عملیاتی کاهش یابد.
در طول ساخت، باید روش ذخیره‌سازی علمی اجرا شود تا خسارت‌های بالقوه به صورت دقیق کنترل شوند. برنامه‌های نگهداری و بازرسی مؤثر باید اجرا شود تا خطرات ایمنی به طور زودهنگام شناسایی شوند و اقدامات متناظر اتخاذ شود تا ایمنی تولید تضمین شود.
